Simulazioni di supercomputing Ibm sostengono la rivoluzione dei chip

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Come riferito dalla rivista scientifica Physical Review Letters, un’équipe di scienziati del centro di Ricerca Ibm di Zurigo ha utilizzato per la prima volta modelli di simulazione avanzati, eseguiti su supercomputer, per approfondire la conoscenza del comportamento complesso di un nuovo materiale promettente – il biossido di afnio – nei transistor al silicio, i componenti fondamentali dei chip dei computer.

Il nuovo materiale è un elemento chiave della tecnologia “high-k metal gate”, recentemente annunciata dall’azienda; si tratta del primo importante cambiamento nel transistor dall’avvento dei semiconduttori in silicio e promette di migliorare in modo significativo le prestazioni dei chip, a vantaggio dei computer e di altri sistemi elettronici. IBM sta sviluppando la tecnologia e la applicherà ai prodotti nel 2008.

Anche se il biossido di afnio è sembrato un candidato ideale per i gate dei transistor della prossima generazione, l’introduzione di un materiale nuovo nei semiconduttori può avere conseguenze impreviste le cui conseguenze devono pertanto essere comprese in modo approfondito prima dell’applicazione pratica. Un fattore critico che ha contribuito al successo di Ibm nella complessa e difficile integrazione di questi nuovi materiali è stata la simulazione dell’interazione di questo materiale a livello atomico.

Gli scienziati del Centro di Zurigo si sono avvalsi della lunga esperienza nella modellazione basata su computer e sulle funzionalità del supercomputer Ibm Blue Gene, per capire il motivo per cui il biossido di afnio funziona molto meglio di altri materiali ad alta costante k (high-k), considerati in precedenza dal settore. I ricercatori sono così riusciti ad acquisire – per la prima volta – un quadro chiaro della fisica di base che guida il peculiare comportamento elettrico del biossido di afnio quando si mescola al silicio, come osservato negli esperimenti di laboratorio, facendo luce sui motivi che rendono questo materiale unico come diottrico di gate.

Per questo studio, l’équipe Ibm ha simulato le composizioni di vari materiali, usando 50 diversi modelli di silicati di afnio, materiali che si formano quando si mischiano silicio e ossidi di afnio. Questi modelli contengono fino a 600 atomi e circa 5.000 elettroni, rappresentando un sistema realistico. Un singolo calcolo della costante dielettrica è stato realizzato in soli cinque giorni di tempo di calcolo su due supercomputer Blue Gene/L a due rack (4096 processori), installati presso il laboratorio di Zurigo. Per calcolare la simulazione completa per tutti i 50 modelli (circa 250 giorni su Blue Gene), il più potente PC laptop impiegherebbe addirittura 700 anni. Ciò corrisponde a una cifra impressionante di 200 miliardi di miliardi (2 x 10 alla ventesima) di operazioni.

L’approccio adottato dall’équipe Ibm si chiama dinamica molecolare “ab inizio”; in questa tecnica le interazioni tra le particelle del sistema sono derivate dalle leggi fondamentali della fisica, senza l’uso di dati empirici. Nel corso del suo lavoro pionieristico, l’équipe Ibm ha creato più di 50 modelli virtuali realistici dei silicati di afnio, con varie concentrazioni di afnio, sul supercomputer. Quindi ha simulato l’evoluzione di queste strutture nell’arco di un dato periodo di tempo, ne ha stimato le costanti dielettriche e ha utilizzato questi risultati per spiegare razionalmente le conclusioni sperimentali.

Il vantaggio delle simulazioni basate su computer è che, essendo virtuali, non comportano i problemi intrinseci degli esperimenti di laboratorio, quali gli effetti delle condizioni di preparazione, la purezza dei composti o la presenza di reazioni parassite. L’aspetto più importante è che, con le simulazioni, è possibile seguire ciò che stanno facendo i singoli atomi. Le simulazioni su computer consentono di calcolare e correlare direttamente le caratteristiche “intrinseche” e ideali di un materiale con la struttura a un livello atomico.

Il documento scientifico intitolato “The Anomalous Behavior of the Dielectric Constant of Hafnium Silicates: a First Principles Study” [Il comportamento anomalo della costante dielettrica dei silicati di afnio: un primo studio dei principi] di C. A. Pignedoli, A. Curioni, e W. Andreoni, è stato pubblicato sulla Physical Review Letters, Volume 98, Numero 3, Articolo 037602 (18 gennaio 2007).

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